用激光脉冲（绿色）照射专门设计的分子会产生两个电子自旋态的振荡量子力学叠加。第二个较弱的激光脉冲（紫色）能够测量飞秒到皮秒时间尺度上叠加的演变，比以前的方法快得多。这种新的光谱方法能够在前所未有的化学条件下研究分子相干性，并为量子传感应用的开发提供了一个平台。图片来源：加州理工学院

为了开发未来的新量子技术，科学家们正在寻求几种不同的方法。一种途径是寻求使用分子作为量子技术的基本构建块。

现在，加州理工学院的科学家们已经找到了一种新方法，可以使用超快激光脉冲来实现一种重要的量子力学特性，即叠加，将一个相对简单的分子变成量子传感器——一种可以通过固有的量子手段测量周围化学现象的工具。

叠加通常使用所谓的薛定谔猫思想实验来理解，该实验假设盒子里的猫可以同时死活存在，直到对系统进行观察或测量。同样，叠加中的电子以多种可能的状态存在，每种状态都代表不同的结果，在进行测量后被观察到的概率不同。

许多量子技术的核心是所谓的量子比特或量子比特，即经典计算机（我们今天都使用的计算机）中比特的量子类似物。然而，与经典比特不同的是，量子比特（例如，可能是分子、原子、光子或电子，具体取决于量子计算/传感系统）可以表现出这种奇怪的叠加现象。

由于量子比特可以同时以多种状态存在，因此它们的计算能力比经典比特高出指数级。然而，通过与周围环境的相互作用，叠加会迅速坍缩成其组成状态之一，从而产生一项技术挑战，在量子计算机等设备完全实现之前必须克服这一挑战。

在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中，加州理工学院化学助理教授 Ryan G. Hadt 实验室的研究人员描述了如何将一类分子与飞秒光脉冲（仅持续十亿分之几秒）结合使用，以测量室温下的叠加实例。

具体来说，他们展示了如何测量电子自旋叠加，这是一种确定电子产生的磁场方向的量子力学特性。

“这项技术可以允许以以前无法做到的方式研究生物系统或材料或其他类型的化学过程，”哈特说。

这项工作由化学博士后学者 Erica Sutcliffe 领导，利用了一个相对简单的分子的电子结构：六氯虹酸钾 （IV），K2IrCl （二氯酸）6.

K2IrCl （二氯酸）6基本上是被六个对称分布的氯离子包围的铱离子，但它也是所谓的顺磁性分子或具有不成对电子的分子的一个例子。

“在所有分子中，电子只能处于非常特定的状态，但是，在像这样高度对称的顺磁性分子中，这些状态的排列方式使我们能够有效地利用光操纵电子自旋，”Sutcliffe 解释说。

研究人员使用一种称为泵浦探针极化光谱的技术来创建并跟踪电子自旋的叠加。他们照射 K 样本2IrCl （二氯酸）6在水中用飞秒激光脉冲。该激光脉冲经过精心选择，具有特定的偏振（光的偏振表示传播的光波在振荡时相对于其行进方向的方向）。

“如果我们选择正确的光偏振，我们处于平衡状态的规则分子就会进入自旋叠加，”Sutcliffe 说。激光脉冲将电子从一种状态移动到更高的状态或激发状态，从而产生叠加。

在几分之一秒后，研究人员将另一个较弱的激光脉冲穿过样品，并测量光的偏振如何变化。通过继续以这种方式进行测量，他们可以确定电子在弛豫回到起始状态之前保持叠加状态的时间。

“不是任何分子都可以以这种方式测量，”哈特实验室的研究生、该论文的合著者 Nathanael P. Kazmierczak 说。“所以这里有两个关键的见解：一个是开发仪器技术，一个是找到与此类仪器配合使用的分子的设计原理。”

虽然加州理工学院的团队率先证明具有顺磁性的分子可以通过这种方式引发和测量电子自旋叠加，但 Sutcliffe 表示，该技术并不特定于 K2IrCl （二氯酸）6.“我们预计我们找到的分子不是最好的，”她说。“相反，它是这些系统中一类全新的量子特性分子探针的一个例子。”

除了可用于研究叠加及其可以维持多长时间外，这些分子还可以用作量子传感器。例如，电子叠加对各种化学性质很敏感，例如分子周围环境的粘度或产生自身磁场的共同原子核的存在。

Sutcliffe 说，这种方法的简单性也使其具有广泛的用途。“因为我们在这种技术中只使用光，而且我们不必像其他方法那样使用非常大的磁体或微波，所以我们可以在非常非常快的时间尺度上以及小尺寸尺度上测量特性。

“这意味着我们有可能使用这种技术进行显微镜检查，而这种技术以前无法获得，从而开启了对生物系统中以前未被充分探索的特性的研究。”

此外，该团队表示，有可能使用电子叠加来识别蛋白质中的单个突变。“鉴于叠加对其他原子核空间分布的敏感性，有理由问蛋白质结构和氨基酸组成如何影响自旋叠加？”

“如果我们能对此有所了解，我们也许能够提供有关蛋白质中是否存在某些癌点突变的信息。”

更多信息：Erica Sutcliffe 等人，室温水溶液中分子电子自旋的超快全光学相干性，科学（2024 年）。DOI： 10.1126/science.ads0512

期刊信息： Science